JP2005050996A

JP2005050996A - 金属化フィルムコンデンサ、およびそれを用いた車載駆動用インバータ回路、ならびにその車載駆動用インバータ回路を搭載した自動車。

Info

Publication number: JP2005050996A
Application number: JP2003280723A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Hosokawa; 聡細川; Shigeo Okuno; 茂男奥野; Makoto Tomita; 誠冨田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: JP3864938B2

Abstract

【課題】従来のフィルムコンデンサは、温度に対する使用環境が厳しく、全ての熱要因を受けるとフィルムコンデンサの熱許容値を超えて使用する可能性があり最悪の場合コンデンサ素子の破壊につながる恐れが発生する。
【解決手段】
本発明は、他機器等から受ける熱影響とブスバーの発熱要因を抑え、コンデンサ構成部品の取付け方やもらい熱の対処、電流密度の抑制等を方策とすることで耐温度性の向上図ることを目的とし、フィルムコンデンサの接続部ブスバー、素子部ブスバーの形状を電流が集中しないよう電流密度を低く抑え、かつ接続部ブスバー自身の取付け方で放熱性を高めた引き回しを行うことで耐温度性の向上を図り、耐温度に対しフィルムコンデンサの信頼性の向上を図り車載に対応するフィルムコンデンサを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は車載用インバータ電源やインバータ回路に用いる平滑用フィルムコンデンサに関するものである。

近年、インバータ回路に平滑用として用いられるフィルムコンデンサは、６００ＶＤＣ以上の高電圧で高周波リップル電流が７０〜９０Ａを要求され、またコンデンサ容量も２０００〜３０００μＦと大容量化し、従来のフィルムコンデンサに比べ大きく変わり始めている。さらにフィルムコンデンサは、同一体積でのコンデンサ容量の増加、および軽量化、低インダクタンス、耐高温性等さまざまな厳しい要求がなされている。

また、従来はインバータ回路の平滑用としてフィルムコンデンサを使用されることがなかったが、近年インバータ電圧の高電圧化が進み、従来の電解コンデンサでは対応が出来なくなってきており、上記課題を解決したフィルムコンデンサの出現が急務となっている。

まず従来の機器用フィルムコンデンサについて図４を用いて説明する。図４は従来の機器用フィルムコンデンサを示しており、（ａ）（ｂ）（ｃ）はそれぞれ平面図、正面図、および側面図を示す。そして図４において、１０１は樹脂ケース、１０２はコンデンサ素子、１０３はコンデンサ素子の電極面と接続したブスバー、１０４は充填樹脂、１０５は樹脂ケース取付脚である。

このような構成をしたコンデンサが屋内・室内用仕様の機器用コンデンサとして一般的である。なお、このようなコンデンサは、コンデンサ容量が小さく、通常１個のコンデンサ素子で構成する場合が多いが、コンデンサ容量が足りない場合は複数個接続した複合体として用いられ場合もある。

また、図４に示したコンデンサ素子１０２に接続するブスバー１０３は、発熱についてほとんど影響が無い場合であり、素子１０２から直接ブスバーを取り出した構造としている。すなわちブスバー１０３は単体であり、一端をコンデンサ素子１０２の電極面に取り付け、もう一端を樹脂ケース１０１の外側に出し、接続用端子としている（例えば特許文献１参照）。

以上のように構成された機器用フィルムコンデンサが、屋内・室内用仕様での温度や湿度に対する一般的な構造のものである。
特開２００３−１５１８４８号公報（図１）

しかしながら、特に車載用インバータ回路に用いる平滑用フィルムコンデンサは、温度に対する使用環境が厳しく、下記に述べる全ての熱要因を受けるとフィルムコンデンサの熱許容値を超えて使用する可能性があり最悪の場合コンデンサ素子の破壊につながる恐れが発生する。以下に、フィルムコンデンサが他機器等から受ける５つの熱影響についてのべる。

第１に車載用として使用されるコンデンサの使用環境は、エンジンルーム近辺であり、周囲温度は−４０℃〜９０℃となり、低温から高温までの広い温度範囲で使用される。第２に、インバータ回路のリップル電流を平滑するためインバータ回路のすぐ側に設置されるので、インバータ回路からの発熱を受ける。第３に、インバータ回路で発生する高周波リップル大電流により、接続するブスバー自身が発熱し熱伝導の良いブスバーを経てコンデンサ素子へ熱伝導される。第４に、インバータ回路の回路発熱が熱伝導の良いブスバーを経てコンデンサ素子へ熱伝導される。さらに第５に、フィルムコンデンサの共用して利用されるため、インバータ回路との接続箇所が複数箇所ある。

上記した５つのフィルムコンデンサが他機器等から受ける熱影響のうち、第１と第２の熱影響については全体構造に関わる問題であり、解決するための方策は、フィルムコンデンサ単体では見出しにくい。しかし、第３から第５の熱影響についてはフィルムコンデンサの構造、構成で解決する方策を見出すことができる。

次に、今度はフィルムコンデンサ自身による２つの熱影響について述べる。

すなわち第１にフィルムコンデンサのコンデンサ素子自身の発熱であり、第２にコンデンサ素子と接続している素子部ブスバーの電流密度に応じた発熱である。

そしてこれら２つのフィルムコンデンサ自身による熱影響のうち、第１の熱影響については、温度上昇を抑える方策として、コンデンサ素子の電極接続面積のリップル電流密度を小さくする方法がある。また、コンデンサ素子の高さを低くすることにより直列等価抵抗分が小さくなり自己発熱を抑える方策もある。

また、第２の熱影響については、素子部ブスバーの電流密度を抑えた設計を実施することで対策が可能であり、またコンデンサ全体から放熱を促進する方策として使用部材に熱係数が高いものを構成に取り込む方法がある。

すなわち本発明が解決しようとする課題は、まず、コンデンサと接続するインバータ回路から発生する高周波リップル大電流によって、コンデンサ素子とインバータ回路とを接続する接続部ブスバーが発熱するという点であり、接続部ブスバーは、インバータ回路と接続する箇所の接続面積が定められており、インバータ回路から高周波リップル大電流が発生すると、接続部ブスバーの電流密度が高くなり発熱が大きくなる。さらに、接続部ブスバーは熱伝導性が高く、その接続箇所からインバータ回路の回路発熱が接続部ブスバー、素子部ブスバーを通じてコンデンサ素子へ熱伝導される。

そして従来のフィルムコンデンサでは、接続部ブスバー、素子部ブスバーの区別がなく、前述の従来の樹脂ケース内で一体となって構成しており、ブスバーの電流密度は非常に高い状態のままであり、コンデンサ素子は大きく熱影響を受ける。

そこで本発明は、特に他機器等から受ける熱影響と発熱要因を抑えフィルムコンデンサの信頼性向上を図り、車載用として対応できるフィルムコンデンサを提供することを目的としており、フィルムコンデンサにおいて、他機器等から受ける熱影響と発熱要因を抑えフィルムコンデンサの信頼性を上げ車載用に対応できる手段を提供するものである。

すなわち、本発明のフィルムコンデンサは、上記課題を解決するために、金属化フィルムを巻回または積層してなるコンデンサ素子を電極面が同一平面になるように複数並べ、前記電極面どうしを素子部ブスバーで接続してなるコンデンサ素子群を外装ケースに内蔵し、前記外装ケースの外側に配した接続ブスバーと前記素子部ブスバーと接続するブスバ
ー接続箇所を前記外装ケースの外側に設けたものである。

さらに、本発明のフィルムコンデンサは、接続部ブスバーは複数の外接続箇所を有し、また前記接続部ブスバーは、複数のブスバー接続箇所を介して複数の素子部ブスバーと接続し、前記複数の外部接続箇所のうちどちらへの電流経路であっても、前記接続部ブスバー全体に亘って電流の電流密度が同等となるように形成したものである。

以上のように、本発明はフィルムコンデンサの構成で特に他機器等から受ける熱影響とブスバーの発熱要因を抑え、耐温度に対しフィルムコンデンサの信頼性の向上を図り、特に車載用に対応するフィルムコンデンサを提供することができる。

また、本発明の金属化フィルムコンデンサを平滑用に用いた車載駆動用インバータ回路またはその車載駆動用インバータ回路を搭載した自動車を提供する。

以下、本発明の実施の形態について、図１および図２を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における金属化フィルムコンデンサを示す図、図２は、本発明の実施の形態１における接続ブスバーを接続する以前の構成図を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図を示す。

そして図１および図２において、１は樹脂性の外装ケース、２は金属化フィルムを巻回または積層し、両側端部に電極面を設けたコンデンサ素子、２１Ａ、２１Ｂはコンデンサ素子２の片側の電極面どうしを同一平面にして複数並べたコンデンサ素子群、３１Ａ〜３１Ｄは同一平面になるようにした複数のコンデンサ素子２の電極面どうしを接続する素子部ブスバー、５Ａは素子部ブスバー３１Ａおよび３１Ｃと接続する接続部ブスバー、５Ｂは素子部ブスバー３１Ｂおよび３１Ｄと接続する接続部ブスバー、３Ａは素子部ブスバー３１Ａと接続部ブスバー５Ａとを接続するブスバー接続箇所、３Ｂは素子部ブスバー３１Ｂと接続部ブスバー５Ｂとを接続するブスバー接続箇所、３Ｃは素子部ブスバー３１Ｃと接続部ブスバー５Ａとを接続するブスバー接続箇所、３Ｄは素子部ブスバー３１Ｄと接続部ブスバー５Ｂとを接続するブスバー接続箇所、５１Ａ、５１Ｃは接続部ブスバー５Ａと外部とを接続する外部接続箇所、５１Ｂ、５１Ｄは接続部ブスバー５Ｂと外部とを接続する外部接続箇所、４は外装ケース１内に充填する充填樹脂、１１は樹脂ケース脚部を示す。

以下に上記した金属化フィルムコンデンサの構成について説明する。なお、本実施の形態にけるフィルムコンデンサはインバータ回路の平滑用として用いるものであり、その満足すべき仕様は、６００ＶＤＣ以上の電圧、７０〜９０Ａでの高周波リップル電流で使用され、コンデンサ容量は２０００〜３０００μＦ、使用温度条件は周囲温度−４０℃〜９０℃のものである。

本実施の形態では、図２に示すように、まず、５個のコンデンサ素子２を各コンデンサ素子の電極面どうしが同一平面になるように２列に並べコンデンサ素子群２１Ａおよび２１Ｂを形成する。

さらに、各コンデンサ素子群２１Ａおよび２１Ｂの同一平面になるようにした電極面どうしを素子部ブスバー３１Ａ〜３１Ｄで接続している。なおコンデンサ素子２はそれぞれ両側端面に電極接続部を有しており、本実施例ではコンデンサ素子を２列に並べているの
で、素子部ブスバー３１Ａ〜３１Ｄと複数個のコンデンサ素子２と接続する電極接続面は４箇所となる。

そして、それら各コンデンサ素子群２１Ａおよび２１Ｂを外装ケース１内に２列に並べて配し、その周囲に充填樹脂４で充填する。

また図２に示すように、各素子部ブスバー３１Ａ〜３１Ｄの電極接続部側と反対側の端部はすべて外装ケース１から外側へ出す構造としており、素子部ブスバー３１Ａおよび３１Ｃは、接続部ブスバー５Ａおよび５Ｂと接続するためのブスバー接続箇所３Ａ〜３Ｄを外装ケース１の外へ飛び出させている。

そして、図１に示すように、ブスバー接続箇所３Ａおよび３Ｃで接続部ブスバー５Ａと接続し、さらに接続部ブスバー５Ａは、２箇所の外部接続箇所５１Ａおよび５１Ｃを有し、そこで電気的に外部と接続している。また、素子部ブスバー接続箇所３Ｂおよび３Ｄも同様に、それぞれブスバー接続箇所３Ｂおよび３Ｄで、接続部ブスバー５Ｂに接続し、さらに接続部ブスバー５Ｂは２箇所の外部接続箇所５１Ｂおよび５１Ｄを有し、そこで電気的に外部と接続する。

すなわち、素子部ブスバー３１Ａと３１Ｃ、３１Ｂと３１Ｄとは、それぞれ電気的に同電位となっており、それぞれ接続部ブスバー５Ａおよび５Ｂと接続している。

なお、ブスバー接続箇所３Ａ〜３Ｄにおいて、素子部ブスバー３１Ａ〜３１Ｄと、接続部ブスバー５Ａおよび５Ｂとを接続する方法は、特にこだわらないが、本実施の形態では特に図示していないがねじ止めによって接続している。

なお、図１で示すように、素子部ブスバー接続箇所３Ａ〜３Ｄは外装ケース１の外側に設けている。

このように素子部ブスバー３１Ａ〜３１Ｄを外装ケース１内に引き回すことなく、コンデンサ素子２の電極面に接続させたあと最短距離で外装ケース１の外へ出すようにし、接続部ブスバー５Ａおよび５Ｂと、素子部ブスバー接続箇所３Ａ〜３Ｄに接続する形状をとることで、高周波リップルによる高電流密度に起因する各ブスバーの発熱を抑えることができる。

また、上記したようにコンデンサ素子群を複数にすることで、コンデンサ容量を大きくする必要がある場合でも、各ブスバーに流れる高周波リップル電流の大きさは変わらないようにすることができる。例えば、図１に示すコンデンサは、コンデンサ素子群２１Ａ、２１Ｂがそれぞれ共に１００μＦで、容量が２００μＦであるが、素子部ブスバーに流れる電流の電流密度を同等にして容量が４００μＦのコンデンサとする場合、コンデンサ素子群２１Ａや２１Ｂと同じ特性のコンデンサ素子群をあと２列増加し、４列にすることで容易に作成できる。

また、コンデンサと接続するインバータ回路の回路発熱が、直接接続部ブスバー５Ａおよび５Ｂ、素子部ブスバー３１Ａ〜３１Ｄを経てコンデンサ素子２へ熱伝導されるが、接続部ブスバー５Ａおよび５Ｂと素子部ブスバー３１Ａ〜３１Ｄとを接続するブスバー接続箇所３Ａ〜３Ｄを樹脂ケース１の外に設けており、周囲温度より高い接続部ブスバー５Ａおよび５Ｂが空気の自然対流で放熱性を増すことができるのでコンデンサ素子２への熱影響を低減できる。従って、熱影響と発熱要因を抑えフィルムコンデンサの信頼性を上げ車載用として対応できるフィルムコンデンサを提供することができる。

また、本実施の形態では、ブスバーに流れる電流の電流密度が同じになるような形状としており、たとえば外部接続箇所５１Ａに対し、素子部ブスバー３１Ａと、素子ブスバー３１Ｃに流れる電流の電流密度が同じになるように、外部接続箇所５１Ａからそれぞれの方向へ分岐して接続部ブスバー５Ａを形成している。これについて本実施の形態における例について説明する。

図１において、接続部ブスバー５Ａと素子部ブスバー３１Ａとを接続するブスバー接続箇所３Ａは、外部接続箇所５１Ａ近辺にある。これに対し、接続部ブスバー５Ａと素子部ブスバー３１Ｃとを接続するブスバー接続箇所３Ｃは、外部接続箇所５１Ｃから離れた位置にしている。

そして、図３のブスバーに流れる電流模式図に示すように、本実施の形態のコンデンサがインバータ回路などの外部回路と接続した場合、接続部ブスバー５Ａに設けた２箇所の外部接続箇所５１Ａおよび５１Ｃのうち、５１Ａ側に電流が流れる場合（電流の方向を実線で示す）と５１Ｃ側に電流が流れる場合（電流の方向を点線で示す）の２通りの場合がある。なお、このようにコンデンサ素子から外部へ流れる電流経路が２通りあるのは、インバータ回路の平滑用だけでなく電源昇圧などのフィルタとしても用いる場合など用途を兼用して用いる場合である。

そして、５１Ｃ側に電流が流れる場合、接続部ブスバー５Ａのブスバー接続箇所３Ｃから外部接続箇所５１Ｃまでの部分を流れる電流は、素子部ブスバー３１Ａと３１Ｃの両方からの電流が足し合わされる（実線で示す）。また、５１Ａ側に電流が流れる場合、素子部ブスバー３１Ａと３１Ｃの両方からの電流は、足し合わされることなくそれぞれが別々に直接外部接続箇所５１Ｃへ流れる。すなわち、接続部ブスバー５Ａのブスバー接続箇所３Ｃから外部接続箇所５１Ｃまでの部分を流れる電流は、その他の部分に比べ２倍の電流が流れることになる。

そして、ブスバー接続箇所３Ｃから外部接続箇所５１Ｃまでの電流の方向に対する断面積をその他の部分より２倍にし、接続部ブスバー５Ａに流れる電流密度が、全体に亘って同じになるようにしている。なお、断面積は、ブスバーの厚みおよび幅を調整することで断面積の大きさを調整している。なお、ブスバーにおける発熱は、電流密度の２乗に比例し、またブスバーの許容発熱量が決められている場合、本実施の形態のように、ブスバー全体に亘って電流密度を同じようにすることで、材料コスト面で最適なコストパフォーマンスとなる。

なお、本実施の形態を発展させ、樹脂ケース１の外側に金属ケースを配すれば、コンデンサ自身の放熱性をさらに向上させることができる。

また、本発明の実施の形態においては、図１で示すように、外装ケース１の外部で構成する接続部ブスバー５Ａ、５Ｂを互いにほぼ平行になるようにし、所定のエアーギャップを隔てて向かい合わせている。このようにすることで２つのブスバーの相互作用によりインダクタンスを低減できる。

なお別の方法として、接続部ブスバー５Ａ、５Ｂ間に絶縁紙を挿入し、接続部ブスバー５Ａ、５Ｂを密着させて対抗させることでインダクタンスを抑えることができる。

また、本発明の実施の形態においては、複数の外部接続箇所５１Ａ〜５１Ｄと接続部ブスバー５Ａ、５Ｂを経て素子部ブスバー３１Ａ〜３１Ｄと接続する経路が最小経路となるように構成している。すなわち、例えば図１に例として示している外部接続箇所５１Ｄと接続する接続部ブスバー５Ｂに対しては、コンデンサ素子群２１Ｂの端部に接続する素子
部ブスバー３１Ｄにつながるブスバー接続箇所３Ｄが、外部接続箇所５１Ｄへ最小経路となるように構成し、インダクタンス抑えたフィルムコンデンサとしている。

このように、本実施の形態では、さらに、コンデンサ素子を複数列並びとし、さらにブスバーに流れる電流の電流密度を全体に亘って同じにすることで、インバータ回路と接続する箇所からフィルムコンデンサ側への高周波リップル大電流に対し、接続部ブスバーの電流密度が低く抑えることができる。また、接続部ブスバーを樹脂ケースから外へ出し、接続部ブスバー自身の放熱性を高めた引き回しを行ない、コンデンサ素子への熱影響を小さくできる。

また、本実施の形態におけるフィルムコンデンサを応用する実用的手段として、リップル電流等の平滑を目的として車両駆動用モータを駆動するインバータ回路（図示せず）に接続し、数百ヘルツから数十キロヘルツの高周波電流を平滑する。さらには、このフィルムコンデンサを平滑用として用いた車載駆動用インバータ回路を自動車に搭載することができる。

本発明のフィルムコンデンサは、平滑用として用いることができ、特に車載用インバータ回路の平滑用などに有用である。

本発明のフィルムコンデンサの実施の形態１における構成図（ａ）平面図、（ｂ）正面図、（ｃ）側面図本発明のフィルムコンデンサの実施の形態１における接続ブスバーを接続する以前の構成図（ａ）平面図、（ｂ）正面図、（ｃ）側面図ブスバーに流れる電流模式図従来のフィルムコンデンサの構成図（ａ）平面図、（ｂ）正面図、（ｃ）側面図

符号の説明

１外装ケース
２コンデンサ素子
２１Ａ〜２１Ｄコンデンサ素子群
３１Ａ〜３１Ｄ素子部ブスバー
３Ａ〜３Ｄブスバー接続箇所
５Ａ、５Ｂ接続部ブスバー
５１Ａ〜５１Ｄ外部接続箇所

Claims

金属化フィルムを巻回または積層してなるコンデンサ素子を電極面が同一平面になるように複数並べ、前記電極面どうしを素子部ブスバーで接続してなるコンデンサ素子群を外装ケースに内蔵し、前記外装ケースの外側に配した接続ブスバーと前記素子部ブスバーと接続するブスバー接続箇所を前記外装ケースの外側に設けた金属化フィルムコンデンサ。
金属化フィルムを巻回または積層してなるコンデンサ素子を電極面が同一平面になるように複数並べ、前記電極面どうしを素子部ブスバーで接続してなる複数のコンデンサ素子群を外装ケースに内蔵し、前記外装ケースの外側に配した接続ブスバーと前記素子部ブスバーと接続する複数のブスバー接続箇所のうち少なくとも１つは、前記外装ケースの外側に設けた金属化フィルムコンデンサ。
接続部ブスバーは複数の外接続箇所を有し、また前記接続部ブスバーは、複数のブスバー接続箇所を介して複数の素子部ブスバーと接続し、前記複数の外部接続箇所のうちどちらへの電流経路であっても、前記接続部ブスバー全体に亘って電流の電流密度が同等となるように形成した請求項２記載の金属化フィルムコンデンサ。
接続部ブスバーは、前記接続部ブスバー全体に亘って電流の電流密度が同等となるように、電流方向に対向する断面積を変えて形成した請求項３記載の金属化フィルムコンデンサ。
外装ケースの外側に金属ケースを配した請求項１から４のいずれかに記載の金属化フィルムコンデンサ。
外装ケースの外側に接続部ブスバーを複数配し、前記複数の接続部ブスバーは、それぞれ互いに所定の距離を保って略平行に対向させた請求項２から５のいずれかに記載のコンデンサ。
金属化フィルムを巻回または積層してなるコンデンサ素子を電極面が同一平面になるように複数並べ、前記電極面どうしを素子部ブスバーで接続してなるコンデンサ素子群を外装ケースに内蔵し、前記外装ケースの外側に配した接続ブスバーと前記素子部ブスバーと接続するブスバー接続箇所を前記外装ケースの外側に設けた金属化フィルムコンデンサを平滑用に用いた車載駆動用インバータ回路。
金属化フィルムを巻回または積層してなるコンデンサ素子を電極面が同一平面になるように複数並べ、前記電極面どうしを素子部ブスバーで接続してなるコンデンサ素子群を外装ケースに内蔵し、前記外装ケースの外側に配した接続ブスバーと前記素子部ブスバーと接続するブスバー接続箇所を前記外装ケースの外側に設けた金属化フィルムコンデンサを平滑用に用いた車載駆動用インバータ回路を搭載した自動車。